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基于计算机系统层次结构对计算机发展的价值分析
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（华北电力大学控制与计算机工程学院，河北保定）
摘要：随着科技的迅速发展，计算机对人们的生产生活产生了巨大的影响。计算机取得如此快速的发展，这得益于对于计算机系统层次结构的不断研究。计算机系统由软件系统和硬件系统组成。计算机系统层次结构指的是根据计算机系统的功能对其分层，以便于正确理解计算机系统的运行过程以及各部分软硬件系统的功能和作用。从 Dijkstra 的工作开始，计算机系统体系结构的层次设计原理已经被提出很长时间，是计算机系统体系结构设计的重要组成部分．它广泛存在于计算机体系结构设计、网络体系结构设计、云计算、网络虚拟化、软件工程以及计算机科学的很多其他分支．计算机科学技术的演变和革新异常频繁，适用范围广的层次设计模型框架和层次设计方法尤为重要。本文将结合计算机层次的具体结构、层次设计分析其对于计算机发展的重要价值。

关键词：计算机系统、层次机构、层次设计、价值分析

Value Analysis of Computer Development Based on Computer System
Hierarchy
————(School of Control and Computer Engineering, North China Electricity Power University,Baoding Hebei)
Abstract：With the rapid development of technology, computers have had a huge impact on people’s production and life. Computer shave achieved such rapid development thanks to continuous research on the hierarchical structure of computer systems. The computer system consists of software systems and hardware systems. Computer system hierarchy refers to the layering of computer systems according to their functions, in order to correctly understand the operating process of computer systems and the functions and functions of software and hardware systems in various parts. Since the work of Dijkstra, the hierarchical design principle of computer system architecture has been proposed for a long time, and it is an important part of computer system architecture design. It widely exists in computer architecture design, network architecture design, cloud computing, network virtualization, software engineering, and many other branches of computer science. The evolution and innovation of computer science and technology are extremely frequent, and the widely applicable hierarchical design model framework and hierarchical design method are particularly important. This article will analyze its important value for computer development in combination with the specific structure and design of the computer level.

Keywords: computer system, hierarchical organization, hierarchical design, value analysis.
1 引言

计算机系统由许多子系统和连接层构成，子系统和连接层的相互作用模式十分复杂，计算机系统层次和架构的设计就显得非常重要。从 Dijkstra 等人的工作开始，计算机系统体系结构的分层设计原则就被人们提了出来。在众多科学分支中，计算机科学技术的创新发展十分迅速，多应用层次化设计方法和广泛应用层次化模型框架非常关键。

2 基本概念在计算机系统体系结构发展的过程中，新技术的产生和演变通常是较快的，但是层次及其设计方法的基本理念的发展和演进则是非常缓慢的．计算机系统体系结构是一个整体，我们在研究其层次设计时，会依据研究的范围将体系结构整体分解为多个组成部分，不同的范围就确定了分解后不同部分概念、定义和功能的差异．现在我们将这些具有差异的概念归类为五个基本概念：资源、模块、接口、层、层次[1]。下面将对这几个概念一一阐述。资源：Perry 等人认为体系结构由组成部件、组织形式和基本原理组成．在我们对体系层次结构的讨论中，我们将前两者统称为资源，其中组成部件为物理资源，组织形式和功能配置为虚拟资源．具体来讲，我们沿用 Foster 等人的表述，计算机系统体系结构需要用到的资源包括计算资源、存储资源、网络资源、代码资源、目录索引资源．计算、存储和网络资源为物理资源，代码资源、目录索引资源为虚拟资源，它们均位于物理平面，是计算机系统体系结构层次设计的基础．模块：模块的概念定义在资源概念的基础上．模块位于逻辑平面，是基本、功能完整、可重用的对象，
可以是一个或一组资源，是计算机系统体系结构层次设计基本单元，通常只关注模块外在功能和交互特征，不需要了解模块的内部结构．有些模块通过标准被严格定义，有些模块则可以动态灵活设置。模块化是与模块概念相伴而生的概念，在计算机科学中通常也被称为“分治法”。它将系统划分为一组相互作用的子系统，建立子系统之间交互逻辑和界限．模块化通常要使子系统具有相对的独立性，尽量简化子系统之间的相互作用，从而降低系统的规模复杂性．接口：接口定义了一个给定模块的输入和输出规则，并隐含着输入和输出的关系，即模块在该接口下的功能，它将模块看成一个黑盒，并不关心模块内部的具体结构．通常情况下，接口的设计都需要保证可以处理符合输入结构的任意的输入情况，最终给出在一定范围限定之内符合逻辑的输出，并且符合与之交互的模块接口的输入结构．在外界看来，与之进行交互的接口就是模块本身，是模块逻辑的延伸，没有接口的模块是一个孤立系统．层和层次：层指的是计算机系统体系结构中的一组（一个或者某些方面）相似模块的集合。集合内部的功能模块间可以进行交互，层和层外用层的接口连接。层次指的是一组或一层以及层间的交互式模块的集合对象系统体系结构、对象系统研究。与层次研究相关，受两者的约束来决定各个层次的连接性、连接规则以及逻辑性。

3 计算机系统层次结构的设计[2]

3.1设计原则
3.1.1 效率原则在实际.设计过程中，计算机体系结构首先要遵守的是效率原则，对计算机系统结构做出设计时，计算机系统的性能和其可靠性指标是重中之重。设计过程处理得当的话，能够保障计算机系统的设计效率。而效率具体体现在跨层设计和层间覆盖设计，决定效率的高低。在设计中，需要连接层之间的每个接口。当连接过程终止时，计算机系统体系结构会呈现出比较明显的复杂性，也正是这点可以提升它本身的效率。

3.1.2 简化原则作为层次设计中的一个主要原则，简化原则十分重要。系统层次结构设计在一定范围中便于系统进行测试验证，设计期间主要要求为系统结构进行简化。层次结构设计和模块化设计相似，需要对计算机系统层次进行合理划分，其更多是为了确保不同层次及间隙更为精简。换句换说，层次设计开展是为了简化计算机系统维护、测试、验证等方面工作。以此为基准，层次设计一定要利用简化原则，简化不同层资源及功能。确保设计环节更加精简。
3.2 设计机制

3.2.1 虚拟映射机制虚拟映射机制是将物理观察转变成逻辑观察的一个映射过程，如虚拟网络、虚拟机都采用的是虚拟映射机制。总体来看，虚拟映射机制的目标包括复制、变换和隔离。在逻辑平面上同时运行生成资源的各个逻辑复制品就是复制；在逻辑平面上通过资源接口变化实现不同功能就是变换；在逻辑平面当中的每个逻辑部分之间相互隔离，互不干扰，能够独立的管理与运行就是隔离。总的来说，虚拟映射机制比抽象映射机制更加灵活多变，可以实现更丰富的功能。
3.2.2 抽象映射机制抽象映射机制主要体现在计算机体系结构的研究和建模过程。抽象可以忽略部分熟悉进行解释，此间有些特殊的属性是内定的，也可以用抽象的概念涵盖这些特殊属性，可以表示为信息忽略或者是信息隐藏。可以忽略某些数学建模方案遇见的一些问题细节，面对上下文设计出的层次化过程中，不重要的细节可以做出隐藏，不用依靠一定的设计水平即可对这些隐藏的细节做出隐藏，不过在某些层面过程是必要的。这就说明它在该层中，只是暂时隐藏，在计划中计算机系统体系结构的层次化设计基本逻辑的隐藏，可以通过汇编程序、编译器以及连接器完成，可以将过程之前设计的语言设为一种抽象工具。由此得出不改变平面结构作为抽象化映射机制的基本，先由 G§ 的子结构映射到子结构中的一个 Ga§ 至目标平面 G(p’)
的一个节点实体 Va，这样就使得许多抽象节点包含在映射平面中[3]。背后组件的动用可以依靠抽象映射机制完成简化，还能降低其级别和模块的作用性。实际过程中，可以以一种收缩映射的过程来看来抽象映射的概念，如此可以减少平面结构复杂度和平面复杂度。可以灵活对目标平面结构中的模块和层进行打包调用和实现。不同的逻辑功能分布在不同的平面上，让目标平面显得简洁，持续其后期的稳定运行。

4 计算机系统层次结构分析与评价
4.1 计算机系统的五级层次[4]
第一级-微程序设计级：该级的编程工具是微指令集，程序员用微指令编写的微程序，由硬件直接执行。我们所学习的计算机组成原理在计算机系统层次结构中所处的层次就是微程序设计级。第二级-传统机器级：该级变成工具是计算机系统语言的指令集，系统开发人员通过指令集编写的计算机程序需要运用微程序来解释执行。第三级-操作系统级：该级主要有两项功能，一是对计算机系统中的软硬件资源进行统一管理，二是在原有系统资源的基础上进行拓展和延伸。第四级-汇编语言级：该级的编程工具是汇编语言指令集。与第二层所采用的机器语言编程工具相比，采用汇编语言编写程序便于理解与记忆。第五级-高级语言级：该集的编程工具是各种高级语言如 C 语言等，高级语言源程序一般是通过编译程序对高级语言进行翻译，然后传输给底层的硬件来执行。
4.2 多种方位观察计算机系统结构计算机在系统管理员眼中的存在：系统管理员必须非常熟悉操作系统提供的有关系统配置和管理方面的功能、系统管理员必须能够解决很多普通用户解决不了的问题，还要必须能安装配置、维护系统的硬件和软件，能建立和管理用户账户，需要时能够升级硬件和软件，备份和恢复业务系统和数据等，软件配置和系统管理层面以及相关的使用程序，系统管理员能感知到的是系统中部分硬件层面，以及相关实用程序和人机交互界面。在开发操作系统，编译器和实用程序等系统软件时、需要能够熟悉计算机底层和相关硬件和系统结构，甚至还需要直接与指令系统和计算机硬件打交道。计算机在应用程序员眼中的存在：实用程序是应用程序员所看到的计算机系统。高级程序设计语言是指面向算法设计得较接近于日常所用的英语书面语言的设计语言，例如 BASC、C、FORTRAN、java 等，所以大多应用程序员使用高级程序设计语言编写程序。计算机在用户眼中的存在：计算机最终用户使用键盘和鼠标等外设与计算机交互，通过操作系统提供的用户界面，启动执行应用程序或系统命令，从而完成用户任务。因此，最终用户能够感知到的只是系统提供的简单人机交互界面和安装在计算机中的相关应用。

4.3 多维视角解读计算机分层结构对计算机发展的重要性计算机系统的层次结构有一个显著的特征是，基于不同的结构层次观察整个计算机系统会得到不同的概念。比如，系统开发人员在第四层观察到的是高级语言机器，系统操作员在第三层会看到一个系统集的资源，而硬件开发人员在一二级系统中看到的是电子线路。严格来讲，计算机系统并没有严格的层次划分，从机器指令系统集到操作系统级的截面，又被层位软硬件资源的交界面，但二者往往没有一个清晰的分界线，或者说这个分界线会随着软件硬化或硬件软化的过程而发生变化。操作系统和其他系统软件的界面，也不是很清楚的，例如，数据库软件也部分地起到了操作系统的作用。此外，某些常用的带有应用性质的程序，既可以划归为应用程序层，也可以划归为系统软件层。计算机系统由许多连通的层和子系统组成，这些层和子系统之间的交互模式复杂，并且可能随时间变化.从第一台通用电子计算机问世以来，计算机系统在性能、存储等方面飞速发展．这既得益于计算机系统生产技术的发展，也得益于计算机系统体系结构的优化设计和创新．系统体系结构是系统的全局视图和主要结构，包括系统的组成和交互特征，贯穿包括前期功能区分设计等在内的系统设计实现的所有阶段，综合考虑系统的功能需求、属性指标和约束条件等许多方面．与具体细节设计、实现不同，体系结构或者说体系结构设计是一个更高级别的抽象，侧重各个组成部分的外在
可见属性．对系统体系结构的深入研究可以加深对对象系统的理解，有助于系统更好地设计和实现，缺少理论基础、不成熟的体系结构会影响部分乃至整个系统的运转．传统的计算机体系结构指计算机的概念性结构与功能特性，包括指令集体系结构、组成硬件，负责在不同的层次分配软硬件功能和确定软硬件界面．从计算机语言角度，可以把传统的计算机系统按照功能划分为从应用语言虚拟机级向下到微程序机器级的多级层次结构，高级语言以低级语言为基础，功能更强，对用户和开发人员更加友好．Dijkstra 将层次模型应用在计算机操作系统的设计中，将操作系统分为调度层、分页层、终端与操作系统通信层、I/O 管理层、用户程序层、用户层，上层的设计仅仅依赖于相邻的下层[5]．开放统互连参考模型将层次模型运用网络系统互联设计中，形成包括应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层的七层协议模型，每一层可以独立演化，简化网络互联问题复杂性。更多地，如面向服务架构云计算软件定义网络、物联网、智能交通系统、片上网络分层路由、蜂窝网络资源调度、电力网控制等都有基于层次设计的体系结构研究和实现．层次结构还存在于互联网的命名结构、量子计算和生物系中．计算机科学技术的演变和革新异常频繁，适用范围广的层次模型框架和层次设计方法尤为重要。计算机系统的分层机构就相当于一个产品的流水线加工，可以大大地提高计算机相关的产品的生产效率，例如，一个生产手机电脑的企业没必要去生产这个产品的每一个零部件，只需要去生产自己擅长的一些部分，其他的部分可以通过进口，或者向同行业其他公司进行购买。计算机系统层次结构也对于整个计算机行业的发展起到了十分重要的作用，每个计算机公司只需要集中力量去发展创新其中的一个环节就可以了，没必要把计算机系统的每一个环节都了解的十分清楚，这样就可以节省很多时间和精力能够在一个领域大放异彩。 5 总结与展望在计算机技术中，一个存在的实物或概念从某个角度看似不存在，成为透明性现象。通常，在一个计算机系统中，系统程序员所看到的底层机器级的概念性结构和功能也行对高级语言程序员（通常就是应用程序员）来说是透明的，即看不见的。一个计算机系统可以认为是由各种硬件和各类软件采用层次化方式构建的分层系统，不同用户工作在不同的系统结构层。因此：系统管理员工作在操作系统层所看到的是配置了操作系统的虚拟机器，汇编语言程序员工作在提供汇编程序的虚拟机器，应用程序员大多工作在提供翻译器或者解释器等翻译程序的语言处理系统中，最终用户则工作在最上面的应用程序层。计算机层次结构的发展创新对于计算机行业的发展无疑是跨时代意义的，只有更多的去了解各个层次之间的区别和联系，企业才能够更好的分工协作，才能大幅度的提高生产以及创新的速度，让计算机为人类的生活提供更多的便利，帮助人类去探索更多未知的世界。 References: [1]林闯，薛超，胡杰，李文焯．计算机系统体系结构的层次设计[J].计算机学报，2017(9)． [2]喻之斌,金海,邹南海.计算机体系结构软件模拟技术[J].软件学报 ,2008(04):1051-1068. [3]朱韫哲.计算机系统体系结构层次设计研究[T].信息与电脑，2018. [4]范植华.计算机系统中的层次结构[J].计算机研究与发展，1982（3）：9-12. [5]Dijkstra EW The structure of the“THE”－multiprogm mingsystem.Communications of the ACM,1968,11（5）：341

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